Обзор NVMe-накопителя Intel SSD 660p: уместна ли QLC-память в SSD для PCI Express?

Флеш-накопители, построенные на четырёхбитовой памяти QLC 3D NAND, постепенно начинают приобретать всё большее распространение. И хотя такая память пока вызывает у многих пользователей недоверие, рано или поздно она станет преобладающим вариантом, используемым в массовых твердотельных накопителях. И произойдёт это, очевидно, по самой банальной причине: за счёт более высокой плотности хранения информации QLC 3D NAND дополнительно снижает себестоимость твердотельных накопителей, позволяя уже в ближайшем будущем сделать доступными для массового покупателя такие модели SSD, ёмкость которых измеряется не в гигабайтах, а в терабайтах.

Мы уже имели возможность познакомиться с одним из первых SSD на базе QLC 3D NAND, SATA-накопителем Samsung 860 QVO. Однако Samsung – это не единственный производитель, который начал массовый выпуск четырёхбитовой памяти и решений на её основе. Собственная QLC 3D NAND есть также и у альянса Intel/Micron, и эти производители тоже применяют её в массовых продуктах для потребительского рынка. Причём начали это делать они даже раньше Samsung.

Но уделить внимание QLC-продуктам Intel и Micron нужно даже не потому, что они принесли данную технологию на массовый рынок первыми. Дело в том, что эти производители стали решать с помощью QLC 3D NAND несколько иные задачи, из-за чего их QLC-продукты отличаются от предложений Samsung идеологически. В то время как Samsung 860 QVO – это простой потребительский SATA SSD, в котором южнокорейский производитель старался минимизировать цену, стратегия компаний Intel и Micron оказалась изобретательнее. Они начали внедрять QLC 3D NAND с накопителей с интерфейсом NVMe, то есть не с самой нижней, а с более высокой ценовой категории. Такой подход хорош тем, что он позволяет продемонстрировать потенциал четырёхбитовой памяти на ярком и понятном примере, подтверждающем, что QLC 3D NAND – не обязательно вариант для бюджетных и медленных накопителей с пониженным ресурсом. Такая память может подойти и для продуктов более высокого ранга, коими как раз и являются QLC-новинки Intel SSD 660p и Crucial P1.

Попутно Intel SSD 660p и Crucial P1 решают и ещё одну задачу. С их помощью производители хотят заявить о своих амбициях в сегменте недорогих NVMe SSD, который в настоящее время находится на подъёме. За последнее время мы видели немало попыток приблизить стоимость скоростных накопителей с NVMe-интерфейсом к показателям привычных SATA SSD. Но все они были связаны либо с переходом на безбуферный дизайн, либо с использованием контроллеров с урезанной функциональностью, что в конечном итоге не лучшим образом сказывалось на производительности. QLC 3D NAND же позволяет сделать NVMe SSD дешевле другим путём, не допуская очевидных конструктивных изъянов на стороне контроллера.

В результате в лице Intel SSD 660p и Crucial P1 мы имеем очень интересные по сочетанию цены и производительности варианты. Среди NVMe-накопителей они имеют чуть ли не самую низкую цену, которую вполне можно сравнить со стоимостью популярных SATA-моделей, но при этом обещают достаточно неплохие скоростные характеристики, заметно превосходящие спецификации накопителей с интерфейсом SATA. Получается, что Intel SSD 660p и Crucial P1 прямо-таки просятся на роль лучшей альтернативы для устаревающих SATA SSD.

Однако всё ли так складно выходит на практике — или QLC 3D NAND всё-таки накладывает на производительность и прочие потребительские характеристики NVMe SSD неизгладимый отпечаток? Ответу на этот вопрос и будет посвящён настоящий обзор, главным героем в котором выступит Intel SSD 660p.

⇡#Технические характеристики

Первое, что вызывает интерес в Intel SSD 660p? – это фирменная QLC 3D NAND авторства Intel. Дело в том, что такая память несколько отличается от уже знакомой нам QLC-памяти компании Samsung в реализации, и это обуславливает некоторые особенности характеристик накопителя компании Intel, например его продолжительный, пятилетний гарантийный срок, несмотря на бытующее мнение о крайней ненадёжности QLC 3D NAND.

Тем не менее используемая в составе Intel SSD 660p флеш-память – это самая настоящая QLC 3D NAND, каждая ячейка которой может иметь шестнадцать логических состояний, за счёт чего достигается возможность хранения четырёх бит информации и 33-процентный рост плотности записи данных по сравнению с TLC-флешем. Производимые компанией Intel кристаллы QLC 3D NAND имеют 64-слойное строение, как и фирменная TLC 3D NAND второго поколения, но ёмкость таких кристаллов увеличена до 1 Тбит.

В то же время Intel продолжает опираться на дизайн ячеек с вертикальным плавающим затвором, в то время как Samsung, Toshiba и Western Digital остановились на использовании ловушки заряда. У каждого подхода есть свои плюсы и минусы, но Intel считает плавающий затвор более подходящей схемой именно для QLC-памяти, поскольку в этом случае достигается лучшая взаимная изоляция ячеек и предотвращается неконтролируемое стекание заряда. Иными словами, такой подход позволяет инженерам Intel легко обойти главную проблему QLC-памяти – невысокую надёжность хранения данных в выключенном состоянии.

Именно поэтому компания и не стала урезать гарантийный срок Intel SSD 660p, будто бы забыв о том, что данный накопитель построен на дешёвой четырёхбитовой памяти. Однако в рамках полноценной пятилетней гарантии производитель объявляет не слишком щедрый даже для среднестатистического пользователя ресурс, подразумевающий возможность ежедневной перезаписи лишь 10 % от общей ёмкости накопителя. Это значит, что массив флеш-памяти у Intel SSD 660p за время жизни разрешается перезаписать всего 200 раз. И это действительно мало, ведь даже Samsung для своих QLC-накопителей серии 860 QVO разрешает почти вдвое больше циклов перезаписи (360), хотя и даёт при этом лишь трёхлетнюю гарантию. Накопители же на базе TLC-памяти с точки зрения официальной гарантии разрешается в среднем перезаписывать за время жизни порядка 600 раз.

Тем не менее нужно понимать, что все приведённые в прошлом абзаце числа – это лишь декларации, которые могут быть далеки от реальности. И чтобы убедиться в том, что к надёжности Intel SSD 660p нет никаких особых претензий, при подготовке этого обзора мы внимательно изучили отзывы на популярных зарубежных онлайн-площадках. И действительно, несмотря на то, что данный SSD присутствует в продаже c августа прошлого года, никаких претензий, связанных с его преждевременным выходом из строя или какими-то проблемами с сохранностью данных, в комментариях покупателей не встречается. Напротив, в большинстве отзывов покупатели хвалят 660p за выгодные цены и возможность сэкономить.

Жалуются же пользователи на совсем иное – на не слишком высокий уровень производительности, который зачастую оказывается ниже ожидаемого. Но это и неудивительно. QLC 3D NAND работает медленнее, чем TLC-память, по вполне очевидной причине: контроллеру при цифровой обработке данных, считываемых из четырёхбитовых ячеек, приходится распознавать вдвое большее количество разных состояний, что, естественно, является более сложной вычислительной задачей. Кроме того, сказывается и невысокая степень параллелизма массива флеш-памяти, собранного из устройств QLC 3D NAND. Ёмкость кристаллов в этом случае составляет 1 Тбит, поэтому в конструкции накопителя объёмом 512 Гбайт, например, участвует всего четыре устройства, чего явно недостаточно для эффективного распараллеливания обращений.

Базовый контроллер для 660p выбран тоже не флагманский. Intel продолжает тесно сотрудничать с фирмой Silicon Motion, и для QLC-накопителя она предпочла двухъядерный чип SM2263, представляющий собой урезанную четырёхканальную версию контроллера SM2262, используемого в популярном Intel SSD 760p. Для упрощённого контроллера заявляются примерно в полтора раза худшие вычислительные возможности, поэтому нет ничего удивительного, что заявленная производительность Intel SSD 660p на фоне решений уровня Samsung 970 EVO смотрится неважно.

Но не стоит забывать, что Intel SSD 660p вовсе и не собирается конкурировать с производительными NVMe-моделями. Это скорее компромиссное решение, поэтому официальные спецификации не должны вызывать никакого удивления.

Можно даже подумать, будто бы официальные спецификации не учитывают технологию SLC-кеширования. Но это не так, технология ускоренной записи у рассматриваемого накопителя есть, но Intel SSD 660p действительно не бьёт рекордов и ни при одном виде операций не заполняет всю полосу пропускания, обеспечиваемую интерфейсом PCI Express 3.0 x4. Впрочем, для NVMe-накопителя, удельная стоимость которого близка к $0,17 за гигабайт, это вполне нормально. Intel SSD 660p не уступает по характеристикам большинству недорогих NVMe SSD класса Kingston A1000 или Transcend SSD 110s.

Что же касается SLC-кеширования, то это предмет особой гордости разработчиков 660p. Для накопителя на базе QLC-памяти, скорость записи в которую крайне низка, качественная работа этой технологии значит очень многое. Посудите сами: напрямую в массив QLC 3D NAND полутерабайтная версия Intel SSD 660p пишет данные лишь со скоростью порядка 55-60 Мбайт/с, а это вдвое-втрое ниже производительности линейной записи у современных механических HDD. По этой причине QLC-накопитель без SLC-кеша был бы совершенно бессмысленным устройством, причём размер такого кеша должен быть по возможности как можно больше, чтобы пользователю не приходилось сталкиваться с реальной скоростью QLC 3D NAND.

По этой причине в Intel SSD 660p осуществлён переход на динамическую схему SLC-кеширования, при которой большая часть массива флеш-памяти работает в быстром SLC-режиме, а перевод ячеек в четырёхбитовый QLC-режим происходит лишь по мере необходимости, когда для записи в однобитовом режиме в массиве флеш-памяти не хватает места. Вообще говоря, подобный подход является типовым почти для любых накопителей на контроллерах Silicon Motion, но Intel до сих пор во всех своих продуктах использовала статический SLC-кеш.

В результате скорость непрерывной линейной записи на чистый Intel SSD 660p ёмкостью 512 Гбайт выглядит следующим образом:

В SLC-режим у Intel SSD 660p 512 Гбайт может быть переведено примерно 50 % массива флеш-памяти. Это позволяет записать на накопитель в ускоренном режиме до 70 Гбайт. Но даже в этом случае производительность линейной записи ограничивается величиной 900-950 Мбайт/с, не говоря уже о том, что после заполнения кеша, когда запись начинает производиться в основной массив памяти в четырёхбитном режиме, быстродействие снижается до совсем плачевных показателей. Впрочем, несмотря на то, что Intel SSD 660p – достаточно медленный SSD по меркам NVMe-моделей, в большинстве случаев он всё равно заведомо быстрее SATA-накопителей.

В алгоритмах реализации SLC-кеширования у Intel SSD 660p есть три интересных особенности. Во-первых, у SLC-кеша этого накопителя есть статическая часть объёмом 6 Гбайт на каждые 512 Гбайт ёмкости SSD. Она позволяет сохранять высокую скорость записи даже в том случае, если объём SSD почти под завязку занят пользовательскими файлами и развернуть вместительный динамический кеш не представляется возможным.

Во-вторых, содержимое SLC-кеша переносится в QLC-память далеко не сразу, а лишь во время сравнительно длительных простоев накопителя. С одной стороны, это несколько уменьшает эффективность кеша, который в нужный момент может оказаться заполненным, но зато с другой – позволяет ускорять и операции чтения, если обращения к данным происходят сразу после их записи. Особенно эффективно такая тактика проявляет себя в бенчмарках, которые измеряют скорость чтения сразу вслед за созданием тестового файла.

В дополнение к этому Intel придумала нечто совершенно особенное – разработчики решили дать определённый контроль над SLC-кешем в руки пользователя. В фирменной утилите SSD Toolbox для 660p существует возможность отправлять контроллеру команду на принудительное перемещение всей информации из SLC-кеша в QLC-память. И это, очевидно, позволяет при необходимости предварительно подготовить накопитель к записи больших объёмов данных.

⇡#Внешний вид и внутреннее устройство

Модельный ряд твердотельных накопителей Intel имеет чёткую структуру. К 500-й серии относятся SATA-накопители, в 700-ю серию входят NVMe SSD с хорошим уровнем быстродействия, а 600-я серия находится где-то посредине. С одной стороны, такие накопители имеют интерфейс NVMe, а с другой – представляют собой недорогие и не ставящие рекордов продукты. И то, что Intel SSD 660p – продукт совсем не премиального уровня, видно сразу. В то время как Intel SSD 760p изготавливается на печатной плате чёрного цвета и имеет чёрную этикетку, SSD 660p с зелёным текстолитом и простой белой наклейкой больше походит на решение для OEM-сборщиков, а не для энтузиастов.

Впрочем, для недорогого NVMe SSD внешний вид не имеет большого значения, гораздо интереснее посмотреть на то, из каких компонентов собран 660p. Для тестирования мы взяли версию объёмом 512 Гбайт. Без информационной этикетки она изображена на фото ниже.

Intel SSD 660p выполнен в традиционном форм-факторе M.2 2280, причём в его «тонком», одностороннем варианте. Здесь наглядно проявляется преимущество ёмких кристаллов QLC 3D NAND. При штабелировании 16 таких кристаллов флеш-памяти можно получать микросхемы общим объёмом до 2 Тбайт, так что в теории реальностью может стать односторонний 660p с объёмом 8 Тбайт. Но пока Intel столь вместительных версий своего SSD не выпускает и потому обходится микросхемами лишь с двумя или четырьмя кристаллами 64-слойной QLC 3D NAND внутри. Например, в Intel SSD 660p 512 Гбайт используются микросхемы с двумя кристаллами, поэтому на сфотографированной плате можно наблюдать два чипа флеш-памяти. Рядом с ними зарезервированы свободные контактные площадки ещё для пары микросхем – они требуются лишь в версии SSD объёмом 2 Тбайт.

Контроллер SM2263, который управляет четырёхканальным массивом флеш-памяти, легко узнаётся по никелированной крышке, улучшающей теплоотвод. Обратите внимание на размеры этого чипа: по сравнению с восьмиканальным SM2262 он стал заметно меньше, что недвусмысленно намекает на его урезанную производительность.

На это же указывает и микросхема DDR3L SDRAM, установленная на Intel SSD 660p. Обычно в микросхемах динамической памяти хранится копия таблицы трансляции адресов, для которой требуется объём из расчёта 1 Мбайт DRAM на 1 Гбайт флеш-памяти. Однако у 660p любых ёмкостей размер DRAM-буфера составляет 256 Мбайт. Следовательно, таблица трансляции буферизируется в быстрой памяти не целиком, и это может ограничивать производительность накопителя при обращениях к большим объёмам данных.

Стоит заметить, что упоминавшийся в начале статьи накопитель Crucial P1 использует точно такую же элементную базу, как и Intel SSD 660p. Но в нём производитель не стал экономить на объёме DRAM-буфера и к тому же не ставил перед собой цель разместить все микросхемы QLC 3D NAND на одной стороне платы. Поэтому решение Micron отличается от Intel SSD 660p по дизайну и, очевидно, имеет какие-то особенности в профиле быстродействия. Хотя в целом накопители Intel SSD 660p и Crucial P1 должны быть подобны по производительности.

⇡#Программное обеспечение

Intel традиционно снабжает свои накопители и достаточно функциональной утилитой SSD Toolbox, которая совместима и с Intel SSD 660p. По возможностям она во многом похожа на другие подобные программы. Данная утилита не только позволяет получить подробную информацию о состоянии накопителя, но и имеет целый набор дополнительных инструментов для его настройки и оптимизации.

Например, с её помощью можно отослать на накопитель пакет команд TRIM – в интерфейсе SSD Toolbox эта функция называется SSD Optimizer. Причём это действие сервисная утилита может выполнять не только одноразово, но и в автономном режиме, по расписанию. Кроме того, Intel предусмотрела и ещё одну возможность программной оптимизации – принудительную очистку содержимого SLC-кеша накопителя. Это уникальная возможность Intel SSD Toolbox, никакие сервисные утилиты других производителей накопителей так делать не умеют.

В SSD Toolbox есть возможность диагностического сканирования, во время которого можно проверить состояние и работоспособность флеш-памяти. Сканирование выполняется как в быстром, так и в полном режиме – разница состоит в том, затронет ли проверка весь массив флеш-памяти или лишь какую-то его часть.

Также с помощью SSD Toolbox можно проверить актуальность используемой накопителем микропрограммы и инициировать операцию Secure Erase.

Ещё одна фирменная особенность интеловской сервисной утилиты – средство System Tuner. С его помощью можно посмотреть, какие критичные настройки, касающиеся дисковой подсистемы, имеются в операционной системе, а также получить рекомендации по их изменению.